Al-5Cu(wt.%)合金电磁搅拌中磁场的数值模拟及试验研究

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1、工学硕士学位论文－ｗｔＡｌ５Ｃｕ（．％）合金电磁搅拌中磁场的数值模拟及试验研究陈志俊哈尔滨理工大学２０１８年６月国内图书分类号：TG292工学硕士学位论文Al-5Cu(wt.%)合金电磁搅拌中磁场的数值模拟及试验研究硕士研究生：陈志俊导师：石德全申请学位级别：工学硕士学科、专业：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TG292DissertationfortheMasterDegreeofEngin

2、eeringNumericalSimulationandExperimentStudyofMagneticFieldinElectromagneticStirringofAl-5Cu(wt.%)AlloyCandidate：ChenZhijunSupervisor：ShiDequanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MaterialsScienceDateofOralExamination：June,2018HarbinUniv

3、ersityofScienceandUniversity：Technology哈尔滨理工大学工学硕士学位论文Al-5Cu(wt.%)合金电磁搅拌中磁场的数值模拟及试验研究摘要Al-5Cu(wt.%)合金属于Al-Cu系合金，Al-Cu系合金具有优秀的切削加工性能和焊接性能，但铸造性能和耐腐蚀性能不是很好，在一些情况下会形成晶间腐蚀。尤其在航空产品上，Al-5Cu(wt.%)合金的运用较为广泛，主要应用于承受大载荷的结构件和耐热零件。由于在金属的凝固过程中触及到包含传热、传质和相变等繁杂的物理变化，所以

4、随着电磁搅拌技术的逐步发展以及广泛使用，使得电磁搅拌逐渐变成一种有效的控制金属凝固过程的手段。尤其是在铸坯的等轴晶率的提升、凝固组织的细化以及在优化夹杂物并且推动成分均匀化等方面电磁搅拌具有关键的效果。本文通过数值模拟的方法，应用有限元分析软件AnsoftMaxwell对电磁搅拌器作用下的砂型中的Al-5Cu(wt.%)合金熔体内部的电磁场进行了仿真模拟。创建了本论文中涉及到的自制Al-5Cu(wt.%)合金电磁搅拌器的二维有限元计算模型，对电磁搅拌器不同试验参数条件下Al-5Cu(wt.%)合金熔体

5、内的磁场强度和电磁力进行计算，并分析其分布规则，为改善电磁搅拌器的工艺参数提供坚实的理论基础和根据。对Al-5Cu(wt.%)合金电磁搅拌过程中磁场的数值模拟结果进行分析，结果表明：当电磁搅拌器的电源频率相同时，随着激励电压的升高，Al-5Cu(wt.%)合金熔体内部的磁感应强度和电磁力都增大，且呈现出离Al-5Cu(wt.%)合金熔体轴心越远磁感应强度和电磁力越大的趋势。Al-5Cu(wt.%)合金熔体内的磁感应强度和电磁力越大，其对Al-5Cu(wt.%)合金熔体的搅拌越充足。当激励电压一定时，随

6、着电源频率的升高，Al-5Cu(wt.%)合金熔体内磁感应强度没有明显的变化，但Al-5Cu(wt.%)合金熔体内电磁力随着电源频率的升高而增大，且沿Al-5Cu(wt.%)合金熔体径向方向的变化规律与激励电压变化时相似。模拟结果还发现，当电源频率为35Hz时，最佳激励电压范围为80~100V；当激励电压为100V时，最佳的搅拌电源频率范围为35~45Hz。根据模拟结果确定了以下试验方案：分别在重力场即无电磁搅拌和不同电磁搅拌参数的情况下获得浇铸试棒。分别对不同试验条件下的铸件进行取样，然后观测和比较

7、金相组织。从试验结论中可以看出：Al-5Cu(wt.%)合金的凝固组-I-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文织在电磁搅拌的影响下成近等轴晶状，与重力场时的凝固组织对比发现，电磁搅拌影响下的凝固组织散步特别平均，晶粒尤其细小。说明电磁搅拌在一定程度上可以改善Al-5Cu(wt.%)合金的凝固组织。通过对比不同电磁搅拌工艺参数下的试验结果，发现本文中的电磁搅拌器在工作参数为100V、35Hz时对Al-5Cu(wt.%)合金有较好的搅拌效果。关键词铝合金；电磁搅拌；数值分析；磁场-II-哈尔滨理工大学工学硕士学

8、位论文NumericalSimulationandExperimentStudyofMagneticFieldinElectromagneticStirringofAl-5Cu(wt.%)AlloyAbstractAl-5Cu(wt.%)alloybelongstoaluminumcopperalloy,whichwithgoodcuttingandweldingperformance.Butthecastingperformanceandcorrosi